蔗地土壤养分与甘蔗生长的关系模型研究

阳景阳，黄智刚

蔗地土壤养分与甘蔗生长的关系模型研究

阳景阳，黄智刚

（广西大学农学院，南宁530004）

探讨了蔗地土壤养分状况与甘蔗农艺性状之间的相关关系，在此基础上进行动态分析与建立综合预测模型。利用种植新台糖22号宿根蔗的土壤养分与农艺性状实测值，对养分间及养分与农艺性状间的相关性进行了分析；并运用R ichards函数，选用土壤全氮变化量（N）、全磷变化量（P）、全钾变化量（K）以及甘蔗生长天数（D）为自变量，以甘蔗株高为因变量（H）建立模型。结果表明：在中等养分水平范围内，土壤有机质变化量对甘蔗茎长、茎粗以及节长的提高具有极其显著的影响；土壤全氮变化量影响着甘蔗节的生长；土壤全磷变化量对甘蔗茎长和茎粗的提高有显著影响；其余单个养分因子对甘蔗的农艺性状关系不显著。所得模型为：H=486.0352[1-e-0.00625K-0.00098P-0.00678N-0.007138D]9.8642

甘蔗；土壤养分；农艺性状；综合预测模型

甘蔗是世界第一大糖料作物，同时也作为高生物量能源作物被许多国家广泛利用。由于蔗地养分状况在甘蔗各生长阶段都影响着甘蔗生长发育，而蔗地养分在甘蔗各生长阶段都呈现动态变化，因此，研究蔗地土壤养分与甘蔗生长的关系，并建立一个全面而有效的模型系统来进行评估和预测对甘蔗生产的精准管理具有重要意义。

谢如林等[1]认为，甘蔗产量与土壤中的速效养分均没有明显的相关性；杨文婷等[2]综合3年数据研究表明甘蔗的株高和茎粗没有受到施氮水平和种植模式的显著影响，这与韦贵剑等[3]的研究结果相似，但有研究[4]认为在一定氮肥施用量范围内，甘蔗蔗茎产量随着施用量增加而增加。蔗地土壤养分与农艺性状间的关系有待进一步明确。预测模型方面，蒋菊生等[5]曾筛选出降雨量、旬积温、旬日照时数和生长发育天数为自变量，建立甘蔗株高综合预测模型，并运用另一组数据校验，取得了不错的预测效果。但以土壤全量养分变化量为自变量的甘蔗株高综合预测模型尚未有明确研究结果。

本研究以广西大学农学院一片甘蔗试验用地为研究区域，采用网格布点随机采样，对2009—2010年的土样性质进行统计特征描述及各个土壤养分指标之间的相关性分析；对甘蔗不同生长期土壤性质的变化量与甘蔗的农艺性状进行相关性分析，并建立以土壤全量养分变化量为因子的甘蔗综合预测模型。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验小区位于广西大学农业试验基地内（108.29°E，22.85°N），面积约为0.1hm2，地势平整，土壤类型为第四季红土母质发育的赤红壤，质地轻壤。该区域年平均气温为21.6℃，平均相对湿度79.0%，年平均降水量为1300.6mm，4—9月降水量占全年降水量的79.8%，处于典型的南亚热带季风湿润气候型区。

试验区于2009年3月份在上一季甘蔗砍收后的小区内以网格采样的方法采集了12个土壤样品，分别测试了土壤性状指标，并依据资料[6-7]进行了分级。土壤pH值6.06，为中性偏酸性，标准差和变异系数都很小，有机质含量24.98g/kg，属于中等水平，速效钾平均含量为82.8mg/kg，属中等水平，碱解氮平均93.1mg/kg属中等偏高，速效磷偏低，速效养分的含量变幅和变异系数均较大。土壤全钾4.87～.5.37g/kg，属于中等偏低水平，全磷含量1.14～1.44g/kg，属中等偏高水平，全氮含量0.46～0.54g/kg，属中等偏低水平。说明该试验小区的土壤养分都处于中等水平，但土壤全量养分的空间分布差异小于速效养分的空间分布差异。

1.2试验方法与样品采集

供试品种为新台糖22号第一年宿根甘蔗，于甘蔗分蘖期（2009年3月）采用根部基施的方法施入复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）100kg，在小区内以网格采样方法设置12个样点，采样点以厘米级高精度GPS定位仪（合众思壮集思宝G990 GNSSRTK）定位，从2009年3月至2010年1月分5批次（施肥前、施肥后、伸长期、成熟期、收获期），分别采集测定12个样点直径1m范围内的甘蔗农艺性状和根区土壤的全氮、全磷、全钾以及有机质和pH值。土壤样品磨碎过100目（0.1 mm）筛，装入封口袋备用。

1.3数据分析

采用统计软件SPSS和Mcrosoft Excel（Office 2003）进行数据统计和图形绘制。以Richards函数作为基础模型，应用非线性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型参数，得到综合预测模型。

频综产生射频激励信号，其频率在时间上按三角波规律变化。激励信号经发射机放大后，通过发射天线转换成电磁波信号向外发射。电磁波信号遇到目标后，一部分能量被反射回接收天线，接收天线将回波信号转换为射频信号(RF)，经低噪放放大后送入接收机。由于回波信号具有一定时间延迟，回波信号延迟后与本振信号就存在一定的频差，频差关系如图2所示[6]。

表1　土壤性质间的相关矩阵

2　结果与分析

2.1收获期土壤养分状况间相关性分析

如表1所示，同一个样点的土壤全氮、全磷和全钾彼此间均有正向5%显著水平的相关性，表明它们在土壤中具有相对一致的分布规律，这是由于甘蔗生长过程对氮磷钾的大量吸收造成，且越健壮的甘蔗吸收养分越多。氮磷钾肥之间的合理配施有利于甘蔗更加高效的吸收，土壤pH值与其它的土壤性质具有部分负相关，其原因是偏中性的土壤环境更有利于甘蔗吸收养分。

2.2土壤全量养分的时间变异趋势

图1反映了土壤全量氮磷钾含量在甘蔗生长各个时期的时间动态变化，全量氮磷钾含量在施肥后都有明显增加，从施入氮磷钾肥后各时期土壤全氮、全磷和全钾的变化趋势来看，分蘖期至伸长期土壤氮、磷含量下降较大，反映了上季甘蔗残留的残枝和死根分解腐烂，微生物活动旺盛，消耗的氮素营养较多，能给植株吸收的营养也较多；成熟期后消耗量有所下降。钾在各发育期的消耗量较为平均。

表2　土壤性质变化与甘蔗农艺性状的相关矩阵

用SPSS进行正态分布型检验，所得出的偏度和峰度都表示：甘蔗施肥前和收获后土壤中的全氮、全磷、全钾均符合正态分布。变异系数（Cv）的大小可粗略估计变量的变异程度：施肥前土壤全量养分的变异系数在3.08%～6.94%，施肥后的变异系数提高到2.47%～33.76%，收获期又降低至2.72%～5.97%。施肥前土壤的全磷含量变异是最大的，其次是全氮，最后是全钾。施肥前与收获期的土壤全量养分表现出弱变异强度，施肥后表现出中等变异强度。

2.3土壤养分变化量与甘蔗农艺性状的相关性

甘蔗的生长与土壤养分含量的变化具有一定的关联性，本研究进行了甘蔗农艺性状与施肥后首次测定的土壤全氮、全钾和全磷以及有机质、pH值与收获期相应测定值的差（以Δ表示变化量）的相关性分析，结果如表2所示。

在满足甘蔗生长需求的范围内，土壤状况的每个因素都与甘蔗农艺状况呈正相关性，部分表现出显著相关性，测定数据和实际甘蔗生长规律相符，是分析甘蔗生长的有效因素。

图1　土壤养分的时间变异趋势

2.4预测模型结构的确定

甘蔗生长与土壤各营养元素综合作用有密切关系。以土壤全钾的变化量（K）、土壤全磷的变化量（P）、土壤全氮的变化量（N）和对应的生长发育天数（D）作为自变量，以株高生长量作为因变量（H）建立综合预测模型（H单位：cm，K、P、N单位：mg/kg，D单位：日）：

式中C为待定参数。

采用Richards函数H=C0×[1-e-c1x]1/(1-c2)作为模拟模型，其参数C0（极限参数）、C1（速率参数）、C2（形状参数），能对甘蔗生长作出最佳生物学解释和对样本资料具有灵活的拟合性能，选用它作为综合预测模型的基本模型。从单项因子分析可见：K、P、N同甘蔗的株高生长有一定线性正相关；但是D与株高则呈非线性关系，但为了避免在综合模型中使用过多的参数而降低模型的灵活性和适用性，因此也取线性一次项，最后将-C1X同K、P、N、D的关系式确定为：

将（2）式代入Richards基本模型，并将原参数C1改为b0，1/（1-C2）改为b5，得到综合预测模型的结构如下：

式中b0～b5为待定参数。

采用非线性最小二乘法的Marquardt迭代原理求解模型参数，结果如下：

上式的剩余方差和Q=6982.4588，剩余标准差S=9.5611，相关系数r=0.9478。从常规的拟合精度指标Q、S、r来看，Q、S越小，r越大，则拟合精度越高。方程（4）r=0.9478，说明该方程拟合精度高。

3　小结与讨论

3.1试验地种植一季甘蔗的土壤养分时空变异

试验区土壤的pH为中性偏酸性，有机质含量中等，全氮、全磷、全钾在施肥后会有明显的增加，伸长期植株吸收氮、磷的量较为明显，成熟期后吸收量有所下降，钾在各发育期的吸收量较为平均。所以宜在植株分蘖期时早追肥，以免伸长期养分供给不足。同一个样点的土壤全氮、全磷和全钾在土壤中具有相对一致的分布规律，养分间能相互促进吸收，有研究表明[8]甘蔗种植时，配施一定量的氮肥有利于促进土壤磷酸盐的溶解，提高磷的吸收利用。饶江等[9]认为这种相似的养分空间分布有利于实现小尺度分区精准管理及农民的节本增收。从养分时间变异程度来看，施肥前与收获期的土壤全量养分表现出弱变异强度，施肥后表现出中等变异强度。

3.2土壤养分变化量与甘蔗农艺性状的关系

蔗地土壤pH值由酸性向中性变化，偏中性的土壤能提高土壤营养元素的有效性，更有利于甘蔗生长，也有研究表明[1]：土壤pH4.5～7.5都可以获得高产，多数高产甘蔗土壤呈现弱酸性，这还与甘蔗的品种及土壤的其他养分有关。Δ有机质对甘蔗茎长、茎粗、节长的提高具有显著影响；Δ土全氮影响着甘蔗节的生长；Δ土全磷与茎长、茎粗达到显著的正相关，可以间接说明在甘蔗生长中期磷对甘蔗茎的生长有巨大影响。其余项目间没有达到显著的相关性，前人的一些研究[2-3]也表现出了类似的结果。说明甘蔗的株高不是由单个营养元素直接突出决定的，而是各营养元素综合作用的结果，因此施肥时要注意合理配施。

3.3甘蔗综合预测模型

目前对甘蔗生长模拟模型的研究主要有两个方向：一是特定地点和条件的回归统计类型的经验模型；二是基于甘蔗生理过程及其农艺学的生长模拟模型[10]，在国际上主流的甘蔗生长模拟模型主要有南非的CANEGRO、澳大利亚的QCANE和APSIM-Sugarcane模型，这些模型能比较系统地总结甘蔗的生长规律，但在我国的运用精度仍然需要验证。蒋菊生等[5]曾经选用降雨量、旬积温、旬日照时数和生长发育天数为自变量，建立过相应的甘蔗株高综合预测模型。本文是从甘蔗吸收养分的角度建立模型，参数的选择能做出生物学的解释，方程的拟合精度也达到了试验要求，但大田试验仍然存在一定的误差，可能盆栽试验更有利于建立起更为准确的模型。

[1]谢如林，黄美福，谭宏伟，等.高产甘蔗的土壤养分肥力特征[J].中国糖料，2008，30（3）：50-52

[2]杨文亭，李志贤，赖健宁，等.甘蔗-大豆间作和减量施氮对甘蔗产量和主要农艺性状的影响[J].作物学报，2014，40（3）：556-562

[3]韦贵剑，梁景文，陆文娟，等.甘蔗间种大豆最佳模式探讨[J].南方农业学报，2013（44）：49–53

[4]刀静梅，郭家文，崔雄维，等.不同供氮水平对甘蔗产量和品质的影响[J].中国糖料，2011，33（2）：22-23.

[5]蒋菊生，谢贵水，林位夫，等.冬植甘蔗新台糖1号高产栽培生态学研究Ⅱ.生态因子与生长的关系及其综合预测模型的建立[J].热带作物学报，1999，20（3）：67-72

[6]谭宏伟，周柳强，谢如林，等.广西甘蔗种植区土壤钾素肥力分级研究[J].广西科学，2003，10（4）：321-324

[7]鲍士旦.土壤农化分析（第三版）[M].北京：中国农业出版社，2010

[8]谢金兰，王维赞，朱秋珍，等.氮肥施用方式对甘蔗产量及土壤养分变化的影响[J].南方农业学报，2013，44（4）：607-610

[9]饶江，王影，谢有奔.广西蔗区土壤养分含量的小尺度空间分析[J]中国糖料，2008，30（2）：21-24

[10]Oleary G J.A review of three sugarcane simulationmodelswith respect to the prediction of sucrose yield[J].Field Crops Research, 2000,68：97-111

Study on Relation M odelof Sugarcane Field SoilNutrients and Sugarcane Grow th

YANG Jing-yang,HUANG Zhi-gang
(College of Agriculture,GuangxiUniversity,Nanning 530004,China)

To investigate the relationship between sugarcane ground soil nutrients and the sugarcane agronomic characters,comprehensive prediction modelwas established by dynamic analysis.The perennial root ROC22 was selected as the research object,correlation analysiswasmade by using themeasured values of soil nutrients and agronomic traits.Choosing total nitrogen variation(N),total P2O5variation(P),total K2O variation(K)and growth days of sugarcane(D)as the independent variable and sugarcane plant height(H)as the dependent variable,a comprehensive prediction model structure was determined by taking Richards equation.Result showed that in the range of themedium nutrient levels,organicmatter variation has extremely significant effect on stem length,stem diameter and section long of sugarcane;total nitrogen variation has significanteffecton section long of sugarcane; total P2O5variation has significant effect on stem length and stem diameter of sugarcane;the others were no significant correlation.Themodelwas determined

sugarcane;soil nutrients;agronomic characters;comprehensive predictionmodel

S566.1

A

1007－2624（2016）03－0018－03

10.13570/j.cnki.scc.2016.03.005

2015-12-24

国家公益性行业（气象）科研专项重点项目“蔗糖产量预测及气象灾害监测评估技术研究”（GYHY201406030）。

阳景阳（1990-），男，广西桂林人，硕士研究生，研究方向为土地资源信息技术，E-mail：297449589@qq.com